CN112072982B - 一种记忆电机调磁过程中永磁体磁能损耗的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种记忆电机调磁过程中永磁体磁能损耗的确定方法，该方法包括：(1)根据调磁需求确定调磁前后永磁体工作点的磁感应强度B0和Bt；(2)根据记忆电机永磁体在调磁过程中的工作点变化规律，得到永磁体工作点移动轨迹；(3)根据永磁体工作点移动轨迹和永磁体磁滞模型，以及调磁前后永磁体工作点的磁感应强度B0和Bt，计算得到调磁过程中磁能损耗的各个分量；(4)根据调磁过程中磁能损耗的各个分量，确定调磁过程中永磁体的磁能损耗Wl。本发明可以准确高效的确定记忆电机调磁过程中永磁体的磁能损耗。

Description

一种记忆电机调磁过程中永磁体磁能损耗的确定方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种记忆电机调磁过程中永磁体磁能损耗的确定方法。
背景技术
记忆电机作为一种新型永磁同步电机，同时具有高效率和高转矩密度两大优势，易于实现全工况高效，拥有广阔的应用前景。记忆电机利用高剩磁、低矫顽力的铝镍钴(AlNiCo)非线性永磁材料，通过施加充去磁电流脉冲改变永磁体磁化水平以实现在线调磁。与传统永磁电机相比，记忆电机无需在高转速时施加持续弱磁电流从而减少了损耗，同时又保证了低速运行时的转矩水平。但在频繁调磁的情况下，即便是电流脉冲也会产生客观的功率损耗。通过研究，记忆电机调磁过程中的损耗主要发生在永磁体磁化状态改变的过程中。
由于传统永磁电机无通过电流脉冲改变永磁体磁化状态的过程，故现有的关于磁体损耗的研究均为不可调磁永磁体在正弦周期性变化磁场中的能量损耗，目前无准确有效的方法能够确定可调磁永磁体在电流脉冲调改变其磁化状态情况下的损耗。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种记忆电机调磁过程中永磁体磁能损耗的确定方法。
技术方案：本发明所述的记忆电机调磁过程中永磁体磁能损耗的确定方法包括：
(1)根据调磁需求确定调磁前后永磁体工作点的磁感应强度B0和Bt；
(2)根据记忆电机永磁体在调磁过程中的工作点变化规律，得到永磁体工作点移动轨迹；
(3)根据永磁体工作点移动轨迹和永磁体磁滞模型，以及调磁前后永磁体工作点的磁感应强度B0和Bt，计算得到调磁过程中磁能损耗的各个分量；
(4)根据调磁过程中磁能损耗的各个分量，确定调磁过程中永磁体的磁能损耗Wl。
进一步的，步骤(1)具体包括：
(1.1)根据调磁需求得到调磁前永磁体工作点的磁感应强度B0，并根据负载线斜率求得调磁前永磁体工作点的磁场强度H0：
Figure BDA0002609133370000011
式中，kl为负载线斜率；
(1.2)根据调磁需求得到调磁后永磁体工作点的磁感应强度Bt，并根据负载线斜率求得调磁后永磁体工作点的磁场强度Ht：
Figure BDA0002609133370000021
式中，kl为负载线斜率。
进一步的，步骤(3)具体包括：
(3.1)将永磁体工作点移动轨迹绘制于永磁体磁滞模型中；
(3.2)根据永磁体磁滞模型和调磁前后永磁体工作点的磁感应强度B0、Bt，计算调磁过程中代表耗散能量的区域面积Sd,并根据该面积通过积分得到耗散能量：
Wd＝∫SddV
V为永磁体体积；
(3.3)根据永磁体磁滞模型计算代表调磁前后的磁体储能的面积Ss0和Sst，并根据该面积通过积分得到调磁前后的磁体储能：
Figure BDA0002609133370000022
Figure BDA0002609133370000023
进一步的，步骤(3.2)中代表耗散能量的区域面积Sd,的计算过程为：
若调磁过程为充磁过程，则通过积分计算充磁前永磁体工作点所在的回复线、最外圈磁滞回线、充磁后永磁体工作点所在的回复线以及B轴所围成的区域的面积，作为代表耗散能量的面积；
若调磁过程为去磁过程，则通过积分计算去磁前永磁体工作点所在的回复线、最外圈磁滞回线、去磁后永磁体工作点所在的回复线以及负载线所围成的区域的面积，作为代表耗散能量的面积。
进一步的，步骤(3.3)中代表调磁前后的磁体储能的面积Ss0和Sst计算过程为：
计算调磁前永磁体工作点、调磁前永磁体工作点所在的回复线与B轴的交点以及过调磁前永磁体工作点向B轴做的垂线与B轴的交点所确定的三角形的面积，作为代表调磁前磁体储能的面积Ss0，
计算调磁后永磁体工作点、调磁后永磁体工作点所在的回复线与B轴的交点以及过调磁后永磁体工作点向B轴做的垂线与B轴的交点所确定的三角形的面积，作为代表调磁后磁体储能的面积Sst。
进一步的，步骤(4)中所述磁能损耗Wl的计算公式为：
Figure BDA0002609133370000031
式中，Wd表示调磁过程中的耗散能量，
Figure BDA0002609133370000032
分别表示调磁前后的磁体储能。有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明能够准确有效地确定永磁体在电流脉冲调磁过程中的损耗。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是非线性永磁体的磁滞模型图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于面积表示法的记忆电机调磁过程中永磁体磁能损耗的确定方法，如图1所示。其中，调磁包括充磁和去磁，因此，损耗分为充磁过程中的损耗和去磁过程中的损耗，下面将充磁和去磁损耗确定方法分为两个实施例来介绍。
实施例1
本实施例提供了一种记忆电机充磁过程中永磁体磁能损耗的确定方法，包括以下步骤：
(1)根据调磁需求确定充磁前后永磁体工作点的磁感应强度B0和Bt。
其中，如图2所示，充磁前永磁体工作点为A点，充磁后永磁体工作点为B点。根据调磁需求得到充磁前永磁体工作点，即A点的磁感应强度B0，并根据负载线斜率求得充磁前永磁体工作点，即A点的磁场强度H0：
Figure BDA0002609133370000033
式中，kl为负载线斜率。
根据调磁需求得到充磁后永磁体工作点，即B点的磁感应强度Bt，并根据负载线斜率求得充磁后永磁体工作点，即B点的磁场强度Ht：
Figure BDA0002609133370000034
式中，kl为负载线斜率。
(2)根据记忆电机永磁体在充磁过程中的工作点变化规律，得到永磁体工作点移动轨迹。
充磁过程如图2所示，即为将永磁体工作点从磁感应强度较低的A点充磁至磁感应强度较高的B点，永磁体工作点的移动轨迹为AICDGB。其中A点对应的磁感应强度和磁场强度即为调磁前磁感应强度B0和调磁前磁场强度H0；I点为永磁体调磁前工作点所在的回复线和B轴的交点，C点为永磁体调磁前工作点所在的回复线和最外圈磁滞回线的交点，D点为永磁体调磁后工作点所在的回复线和最外圈磁滞回线的交点，G点为永磁体调磁后工作点所在的回复线和B轴的交点，B点对应的磁感应强度和磁场强度即为调磁后磁感应强度Bt和调磁前磁场强度Ht。
(3)根据永磁体工作点移动轨迹和永磁体磁滞模型，以及充磁前后永磁体工作点的磁感应强度B0和Bt，计算得到充磁过程中磁能损耗的各个分量。
该步骤具体包括：
(3.1)将永磁体工作点移动轨迹绘制于永磁体磁滞模型中。绘制后如图2所示。永磁体磁滞模型使用傅里叶拟合磁滞模型，可以同时满足计算量小且精确度高两个目标。永磁体磁滞模型横轴为H轴，即磁场强度，纵轴为B轴，即磁感应强度。
(3.2)根据永磁体磁滞模型和充磁前后永磁体工作点的磁感应强度B0、Bt，计算代表充磁过程中耗散能量的面积Sd，并根据该面积通过积分得到耗散能量Wd。
代表耗散能量的面积Sd为充磁前永磁体工作点所在的回复线、最外圈磁滞回线、充磁后永磁体工作点所在的回复线以及B轴所围成的区域的面积，即图2中不规则区域ICDG，其面积可由下式计算：
Figure BDA0002609133370000041
式中，B为磁感应强度，H为磁场强度，kr为回复线斜率，BI、BC、BD、BG分别为点I、C、D、G所对应的磁感应强度。
耗散能量由下式计算：
Wd＝∫SddV
V为永磁体体积。
(3.3)根据永磁体磁滞模型计算充磁前后代表磁体储能的面积，并根据该面积通过积分得到充磁前后的磁体储能
Figure BDA0002609133370000042
和
Figure BDA0002609133370000043
计算代表磁体储能的面积的具体过程为：
代表充磁前磁体储能的面积为充磁前永磁体工作点、充磁前永磁体工作点所在的回复线与B轴的交点以及过充磁前永磁体工作点向B轴做的垂线与B轴的交点所确定的三角形的面积，即图2中点A、点I以及过A点向B轴做的垂线与B轴的交点J所确定的三角形AJI，其面积Ss0可由下式计算：
Figure BDA0002609133370000051
BI为点I所对应的磁感应强度。
代表充磁后磁体储能的面积为充磁后永磁体工作点、充磁后永磁体工作点所在的回复线与B轴的交点以及过充磁后永磁体工作点向B轴做的垂线与B轴的交点所确定的三角形的面积，即图2中点B、点G以及过B点向B轴做的垂线与B轴的交点H所确定的三角形BHG，其面积Sst可由下式计算：
Figure BDA0002609133370000052
式中，BG为点G所对应的磁感应强度。
充磁前后的磁体储能
Figure BDA0002609133370000053
和
Figure BDA0002609133370000054
由下式计算：
Figure BDA0002609133370000055
Figure BDA0002609133370000056
(4)根据充磁过程中磁能损耗的各个分量，确定充磁过程中永磁体的磁能损耗Wl。
磁能损耗Wl的计算公式为：
Figure BDA0002609133370000057
实施例2
本实施例提供了一种记忆电机去磁过程中永磁体磁能损耗的确定方法，包括以下步骤：
(1)根据调磁需求确定去磁前后永磁体工作点的磁感应强度B0和Bt。
其中，如图2所示，去磁前永磁体工作点为B点，去磁后永磁体工作点为A点。根据调磁需求得到去磁前永磁体工作点，即B点的磁感应强度B0，并根据负载线斜率求得去磁前永磁体工作点，即B点的磁场强度H0：
Figure BDA0002609133370000058
式中，kl为负载线斜率。
根据调磁需求得到去磁后永磁体工作点，即A点的磁感应强度Bt，并根据负载线斜率求得去磁后永磁体工作点，即A点的磁场强度Ht：
Figure BDA0002609133370000061
式中，kl为负载线斜率。
(2)根据记忆电机永磁体在充磁过程中的工作点变化规律，得到永磁体工作点移动轨迹。
去磁过程如图2所示，即为将永磁体工作点从磁感应强度较高的B点去磁至磁感应强度较低的A点，永磁体工作点的移动轨迹为BEFA。其中B点对应的磁感应强度和磁场强度即为调磁前磁感应强度B0和调磁前磁场强度H0；E点为永磁体调磁前工作点所在的回复线和最外圈磁滞回线的交点，F点为永磁体调磁后工作点所在的回复线和最外圈磁滞回线的交点，A点对应的磁感应强度和磁场强度即为调磁后磁感应强度Bt和调磁前磁场强度Ht。
(3)根据永磁体工作点移动轨迹和永磁体磁滞模型，以及去磁前后永磁体工作点的磁感应强度B0和Bt，计算得到去磁过程中磁能损耗的各个分量。
该步骤具体包括：
(3.1)将永磁体工作点移动轨迹绘制于永磁体磁滞模型中。绘制后如图2所示。永磁体磁滞模型使用傅里叶拟合磁滞模型，可以同时满足计算量小且精确度高两个目标。
(3.2)根据永磁体磁滞模型和去磁前后永磁体工作点的磁感应强度B0、Bt，计算去磁过程中代表耗散能量的面积Sd，并根据该面积通过积分得到耗散能量Wd。
代表耗散能量的面积Sd为去磁前永磁体工作点所在的回复线、最外圈磁滞回线、去磁后永磁体工作点所在的回复线以及负载线所围成的部分，在图2中即为不规则区域BEFA，其面积可由下式计算：
Figure BDA0002609133370000062
式中，B为磁感应强度，H为磁场强度，kr为回复线斜率，BI、BC、BD、BG分别为点I、C、D、G所对应的磁感应强度。
耗散能量Wd由下式计算：
Wd＝∫SddV
V为永磁体体积。
(3.3)根据永磁体磁滞模型计算去磁前后代表磁体储能的面积Ss0和Sst，并根据该面积通过积分得到去磁前后的磁体储能
Figure BDA0002609133370000071
和
Figure BDA0002609133370000072
磁体储能计算具体过程为：
代表去磁前磁体储能的面积为去磁前永磁体工作点、去磁前永磁体工作点所在的回复线与B轴的交点以及过去磁前永磁体工作点向B轴做的垂线与B轴的交点所确定的三角形的面积，即图2中为点B、点G以及过B点向B轴做的垂线与B轴的交点H所确定的三角形BHG，其面积Ss0可由下式计算：
Figure BDA0002609133370000073
BG为点G所对应的磁感应强度。
代表去磁后磁体储能的面积为去磁后永磁体工作点、去磁后永磁体工作点所在的回复线与B轴的交点以及过去磁后永磁体工作点向B轴做的垂线与B轴的交点所确定的三角形的面积，即图2中为点A、点I以及过A点向B轴做的垂线与B轴的交点J所确定的三角形AJI，其面积Sst可由下式计算：
Figure BDA0002609133370000074
式中BI为点I所对应的磁感应强度。
去磁前后的磁体储能
Figure BDA0002609133370000075
和
Figure BDA0002609133370000076
由下式计算：
Figure BDA0002609133370000077
Figure BDA0002609133370000078
(4)根据去磁过程中代表总能量损耗的面积，确定去磁过程中永磁体的磁能损耗Wl。
磁能损耗Wl的计算公式为：
Figure BDA0002609133370000079

Claims (3)

1.一种记忆电机调磁过程中永磁体磁能损耗的确定方法，其特征在于该方法包括：
(1)根据调磁需求确定调磁前后永磁体工作点的磁感应强度B0和Bt；
(2)根据记忆电机永磁体在调磁过程中的工作点变化规律，得到永磁体工作点移动轨迹；
(3)根据永磁体工作点移动轨迹和永磁体磁滞模型，以及调磁前后永磁体工作点的磁感应强度B0和Bt，计算得到调磁过程中磁能损耗的各个分量；具体包括：
(3.1)将永磁体工作点移动轨迹绘制于永磁体磁滞模型中；
(3.2)根据永磁体磁滞模型和调磁前后永磁体工作点的磁感应强度B0、Bt，计算调磁过程中代表耗散能量的区域面积Sd,并根据该面积通过积分得到耗散能量Wd：
Wd＝∫SddV
V为永磁体体积；
其中，代表耗散能量的区域面积Sd的计算过程为：若调磁过程为充磁过程，则通过积分计算充磁前永磁体工作点所在的回复线、最外圈磁滞回线、充磁后永磁体工作点所在的回复线以及B轴所围成的区域的面积，作为代表耗散能量的面积；若调磁过程为去磁过程，则通过积分计算去磁前永磁体工作点所在的回复线、最外圈磁滞回线、去磁后永磁体工作点所在的回复线以及负载线所围成的区域的面积，作为代表耗散能量的面积；
(3.3)根据永磁体磁滞模型计算代表调磁前后的磁体储能的面积Ss0和Sst，并根据该面积通过积分得到调磁前后的磁体储能
Figure FDA0003278866030000011
和
Figure FDA0003278866030000012
Figure FDA0003278866030000013
Figure FDA0003278866030000014
其中，代表调磁前后的磁体储能的面积Ss0和Sst计算过程为：
计算调磁前永磁体工作点、调磁前永磁体工作点所在的回复线与B轴的交点以及过调磁前永磁体工作点向B轴做的垂线与B轴的交点所确定的三角形的面积，作为代表调磁前磁体储能的面积Ss0；计算调磁后永磁体工作点、调磁后永磁体工作点所在的回复线与B轴的交点以及过调磁后永磁体工作点向B轴做的垂线与B轴的交点所确定的三角形的面积，作为代表调磁后磁体储能的面积Sst；
(4)根据调磁过程中磁能损耗的各个分量，确定调磁过程中永磁体的磁能损耗Wl。
2.根据权利要求1所述的记忆电机调磁过程中永磁体磁能损耗的确定方法，其特征在于：步骤(1)具体包括：
(1.1)根据调磁需求得到调磁前永磁体工作点的磁感应强度B0，并根据负载线斜率求得调磁前永磁体工作点的磁场强度H0：
Figure FDA0003278866030000021
式中，kl为负载线斜率；
(1.2)根据调磁需求得到调磁后永磁体工作点的磁感应强度Bt，并根据负载线斜率求得调磁后永磁体工作点的磁场强度Ht：
Figure FDA0003278866030000022
式中，kl为负载线斜率。
3.根据权利要求1所述的记忆电机调磁过程中永磁体磁能损耗的确定方法，其特征在于：步骤(4)中所述磁能损耗Wl的计算公式为：
Figure FDA0003278866030000023
式中，Wd表示调磁过程中的耗散能量，
Figure FDA0003278866030000024
分别表示调磁前后的磁体储能。
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